Zener-diodit

Johdanto

Diodit tunnetaan yleensä laitteena, joka sallii virran kulkemisen yhteen suuntaan (eteenpäin esijännitetty) ja tarjoaa vastuksen virran virtaukselle käytettäessä päinvastaisessa esijännitteessä. Zener-diodi (nimetty amerikkalaisen tiedemiehen C.Zenerin mukaan, joka selitti ensin toimintaperiaatteensa) toisaalta ei vain salli virtaa, kun sitä käytetään eteenpäin suuntautuvassa esijännityksessä, mutta ne myös sallivat virran, kun sitä käytetään päinvastaisessa esijännityksessä toistaiseksi käytetty jännite on yli Zenerin rikkoutumisjännitteen tunnetun rikkoutumisjännitteen. Tai toisin sanoen rikkoutumisjännite on jännite, jolla Zener-diodi alkaa johtaa vastakkaiseen suuntaan.

Zener-diodin toimintaperiaate:

Normaaleissa diodeissa rikkoutumisjännite on erittäin korkea ja diodi vaurioituu kokonaan, jos rikkoutumisdiodin yläpuolella olevaa jännitettä käytetään, mutta Zener-diodeissa rikkoutumisjännite ei ole yhtä korkea eikä aiheuta zener-diodin pysyviä vaurioita, jos jännite on kytketty.

Kun Zener-diodiin kohdistettu vastakkainen jännite kasvaa kohti määritettyä rikkoutumisjännitettä (Vz), diodin läpi alkaa virrata virta ja tätä virtaa kutsutaan Zener- virraksi ja tämä prosessi tunnetaan lumivyörien hajoamisena . Virta kasvaa maksimiin ja vakautuu. Tämä virta pysyy vakiona laajemmalla käytetyn jännitteen alueella ja antaa Zener-diodin kestää suuremmalla jännitteellä vahingoittumatta. Tämä virta määritetään sarjavastuksella.

Harkitse alla olevan kuvan normaalista diodista toiminnassa.

Näyttää toiminnan zener-diodin, pitää kahden kokeen (A ja B) alla.

In koe A, 12V zener diodi on kytketty käänteisfaasi- esijännitetty, kuten on esitetty kuvassa, ja se voidaan nähdä, että zener-diodi estää jännitteen tehokkaasti, koska se on vähemmän / yhtä kuin läpilyöntijännite erityisesti zener-diodin ja lampun näin pysyi poissa.

In Kokeessa B, joka on 6v Zener Diode käyttää käy (lamppu syttyy) käänteisessä esijännitetty, koska sovellettu jännite on suurempi kuin sen läpilyöntijännite ja siten osoittaa, että jakauma on alue, toiminta zener-diodi.

Virta-jännite ominaiskäyrän zenerdiodin on esitetty alla.

Kaaviosta voidaan päätellä, että päinvastaisessa esijännitemoodissa käytetyllä zener-diodilla on melko vakio jännite syötetyn virran määrästä riippumatta.

Zener-diodin sovellukset:

Zener-diodeja käytetään kolmessa pääsovelluksessa elektronisissa piireissä;

1. Jännitteen säätö

2. Aaltomuodon leikkuri

3. Jännitteensiirtäjä

1. Zener-diodi jännitteen säätimenä

Tämä on epäilemättä yleisin zener-diodien käyttö.

Tämä zener-diodien käyttö riippuu suuresti zener-diodien kyvystä ylläpitää vakio jännite riippumatta syöttö- tai kuormavirran vaihteluista. Jännitteen säätölaitteen yleisenä tehtävänä on tuottaa vakio lähtöjännite kuormalle, joka on kytketty rinnakkain sen kanssa riippumatta kuorman vetämän energian vaihteluista (kuormitusvirta) tai syöttöjännitteen vaihteluista ja epävakaudesta.

Zener-diodi tuottaa tasaisen jännitteen edellyttäen, että virta pysyy suurimman ja pienimmän vastavirran alueella.

Piirikaavio, joka esittää Zener-diodia, jota käytetään jännitteen säätimenä, on esitetty alla.

Vastus, R1 on kytketty sarjaan zener-diodin kanssa diodin läpi virtaavan virran määrän rajoittamiseksi ja tulojännite Vin (jonka on oltava suurempi kuin zener-jännite) kytketään poikittain kuvan osoittamalla tavalla ja lähtöjännite Vout, viedään zener-diodin poikki Vout = Vz (Zener-jännite). Koska jännitteen säätämiseen tarvitaan zener-diodin käänteisiä esijännitysominaisuuksia, se kytketään päinvastaisessa esijännitetilassa katodin ollessa kytkettynä piirin positiiviseen kiskoon.

Vastuksen R1 arvon valinnassa on oltava varovainen, koska pieniarvoinen vastus johtaa suureen diodivirtaan kuorman ollessa kytkettynä ja tämä lisää diodin tehohäviötarpeita, jotka saattavat nousta suuremmiksi kuin zener ja voi vahingoittaa sitä.

Käytettävän vastuksen arvo voidaan määrittää alla olevan kaavan avulla.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Jos; R1 on sarjavastuksen arvo. Vin on tulojännite. Vz, joka on sama kuin Vout, on Zener-jännite ja Iz on zener-virta.

Tämän kaavan avulla on helppo varmistaa, että valitun vastuksen arvo ei johda suurempaan virtaan kuin mitä zener pystyy käsittelemään.

Yksi pieni ongelma, joka on kokenut zener-diodipohjaisten säätöpiirien kanssa, on se, että Zener tuottaa joskus sähköistä kohinaa syöttökiskossa yrittäessään säätää tulojännitettä. Vaikka tämä ei välttämättä ole ongelma useimmissa sovelluksissa, tämä ongelma voidaan ratkaista lisäämällä suuren arvon erottava kondensaattori diodin poikki. Tämä auttaa vakauttamaan zenerin tuotoksen.

2. Zener-diodi aaltomuotoleikkurina

Yksi normaalien diodien käyttötavoista on leikkaus- ja kiinnityspiirien soveltaminen, jotka ovat piirejä, joita käytetään muokkaamaan tai muokkaamaan AC-tulon aaltomuotoa tai signaalia, tuottamaan eri muotoinen lähtösignaali leikkurin tai puristimen spesifikaatioista riippuen.

Clippers-piirit ovat yleensä piirejä, joita käytetään estämään piirin lähtösignaali menemästä ennalta määrätyn jännitearvon ulkopuolelle muuttamatta mitään muuta tulosignaalin tai aaltomuodon osaa.

Näitä piirejä yhdessä kiinnittimien kanssa käytetään laajalti analogisissa televisioissa ja FM-radiolähettimissä häiriöiden poistamiseksi (kiinnityspiirit) ja meluhuippujen rajoittamiseksi leikkaamalla korkeita piikkejä.

Koska Zener-diodit käyttäytyvät yleensä normaalien diodien tapaan, kun käytetty jännite ei ole yhtä suuri kuin rikkoutumisjännite, niitä käytetään siten myös leikkauspiireissä.

Leikkauspiirit voitaisiin suunnitella leikkaamaan signaali joko positiivisella, negatiivisella tai molemmilla alueilla. Vaikka diodi leikkaa luonnollisesti toisen alueen 0,7 V: lla riippumatta siitä, onko se suunniteltu positiiviseksi vai negatiiviseksi leikkuriksi.

Harkitse esimerkiksi alla olevaa piiriä.

Clipper-piiri on suunniteltu leikkaamaan lähtösignaali 6,2 V: lla, joten käytettiin 6,2 V: n zener-diodia. Zener-diodi estää lähtösignaalin ylittämästä zener-jännitettä riippumatta tulon aaltomuodosta. Tässä nimenomaisessa esimerkissä käytettiin 20 voltin tulojännitettä ja positiivisen heilahduksen lähtöjännite oli 6,2 voltin tasainen zener-diodin jännitteen kanssa. Vaihtojännitteen negatiivisen heilahtelun aikana zener-diodi kuitenkin käyttäytyy aivan kuten normaali diodi ja leikkaa lähtöjännitteen 0,7 V: lla, joka on yhdenmukainen normaalien silikonidiodien kanssa.

Leikkauspiirin toteuttamiseksi vaihtovirtapiirin negatiiviselle heilahdukselle ja positiiviselle heilumiselle siten, että jännite leikataan eri tasoilla positiivisella ja negatiivisella heilahduksella, käytetään kaksois-zener-leikkauspiiriä. Kaksinkertaisen zener-leikkauspiirin kytkentäkaavio on esitetty alla.

Yllä olevassa leikkauspiirissä jännite Vz2 edustaa jännitettä AC-lähteen negatiivisessa käänteessä, jolla lähtösignaali halutaan leikata, kun taas jännite Vz1 edustaa jännitettä AC-lähteen positiivisella heilahduksella, jolla lähtöjännite halutaan leikata.

3. Zener-diodi jännitteensiirtäjänä

Jännitteensiirtäjä on yksi zener-diodin yksinkertaisimmista mutta mielenkiintoisimmista sovelluksista. Jos sinulla on kokemusta erityisesti 3,3 V: n anturin kytkemisestä 5 V: n MCU: han ja olet nähnyt omakohtaisesti virheitä lukemissa, jne., Että tämä voi johtaa niihin, ymmärrät jännitteensiirtimien merkityksen. Jännitteensiirtimet auttavat muuntamaan signaalin yhdestä jännitteestä toiseen ja zener-diodin kyvyllä ylläpitää tasaista lähtöjännitettä hajoamisalueella, mikä tekee niistä ihanteellisen komponentin toimintaan.

Kun zener-diodin, joka perustuu jännite Shifter, piiri, laskee lähtöjännite, jonka arvo yhtä kuin läpilyöntijännite erityisesti zener-diodi, jota käytetään. Jännitteensiirtimen kytkentäkaavio on esitetty alla.

Harkitse alla olevaa kokeilua,

Piiri kuvaa 3,3 voltin zener-diodipohjaista jännitteensiirtäjää. Piirin lähtöjännite (3,72 V) saadaan vähentämällä zener-diodin rikkoutumisjännite (3,3 V) tulojännitteestä (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7-3,3 = 3,7v

Aikaisemmin kuvatulla jännitteensiirtimellä on useita sovelluksia nykypäivän elektronisten piirien suunnittelussa, koska suunnittelija voi joutua työskentelemään jopa kolmella eri jännitetasolla ajoittain suunnitteluprosessin aikana.

Zener-diodien tyypit:

Zener-diodit luokitellaan tyyppeihin useiden parametrien perusteella, jotka sisältävät;

Nimellisjännite
Tehohäviö
Aja eteenpäin
Eteenpäin jännite
Pakkaustyyppi
Suurin käänteinen virta

Nimellisjännite

Zener-diodin nimellinen käyttöjännite tunnetaan myös zener-diodin rikkoutumisjännitteenä, riippuen sovelluksesta, johon diodia käytetään, tämä on usein tärkein kriteeri Zener-diodin valinnalle.

Tehohäviö

Tämä edustaa suurinta tehoa, jonka zener-virta voi hävittää. Tämän teholuokan ylittäminen johtaa zener-diodin lämpötilan liialliseen nousuun, mikä voi vahingoittaa sitä ja johtaa siihen kytkettyjen piirien vikaantumiseen. Siksi tämä tekijä on otettava huomioon valittaessa diodi käyttöä ajatellen.

Suurin Zener-virta

Tämä on suurin virta, joka voidaan siirtää zener-diodin läpi zener-jännitteellä vahingoittamatta laitetta.

Pienin Zener-virta

Tämä viittaa vähimmäisvirtaan, joka vaaditaan zener-diodin toiminnan aloittamiseksi hajoamisalueella.

Muut parametrit, jotka toimivat diodin spesifikaationa, on kaikki otettava täysin huomioon, ennen kuin tehdään päätös tyypin zener-diodista, jota tarvitaan kyseiseen erikoiseen suunnitteluun.

Päätelmä:

Tässä on 5 pistettä, joita ei pidä koskaan unohtaa zener-diodista.

Zener-diodi on kuin tavallinen diodi vain, että se on seostettu terävällä rikkoutumisjännitteellä.
Zener-diodi ylläpitää vakaata lähtöjännitettä tulojännitteestä riippumatta, mikäli zenerin maksimivirtaa ei ylitetä.
Kun kytketään eteenpäin esijännitteellä, zener-diodi käyttäytyy täsmälleen kuten normaali silikonidiodi. Se johtaa samalla 0,7 voltin jännitehäviöllä, joka liittyy normaalin diodin käyttöön.
Zener-diodin oletusarvoinen toimintatila on erittelyalueella (käänteinen puolueellinen). Se tarkoittaa, että se todella alkaa toimia, kun käytetty jännite on suurempi kuin Zener-jännite päinvastaisessa suunnassa.
Zener-diodia käytetään enimmäkseen sovelluksissa, joihin liittyy jännitteen säätö, leikkauspiirit ja jännitteensiirtimet.